如何在无脑状态下游泳

即便没有中央控制系统也能成功运动

“简单的微生物可以被想象成由若干部分组成，有点像一串珍珠，”当前论文的第一作者、维也纳工业大学理论物理研究所和塔夫茨大学艾伦探索中心的贝内迪克特·哈特尔解释道。“各个部分可以相对移动。我们想知道：在什么情况下这种运动会促使整个有机体朝期望的方向移动？”

如果有中央控制系统——例如大脑或至少是神经中枢——这相对简单。这样的中枢可以向各个部分发出具体指令。这种方式如何产生协调运动很容易理解。

但单细胞生物体自然没有神经细胞，也没有能发出指令的中央处理系统。在这种情况下，协调的游动运动如何产生？如果微生物的各个部分都遵循非常简单的规则行事，能否产生集体行为从而实现高效游动？

计算机模拟的微生物

研究通过计算机模拟进行了探索：微生物被建模为相互连接的珠子链。每颗珠子都能向左或向右施加力，但每颗珠子仅知道其紧邻珠子的位置。它们无法获知生物体的整体状态或更远处珠子的信息。

“现在的关键问题是：是否存在一种控制系统、一套简单规则、一种每个珠子可单独遵循的行为策略，从而在没有中央控制单元的情况下涌现出集体游动运动？”贝内迪克特·哈特尔提出。

哈特尔解释说，在计算机上，单个珠子——即虚拟微生物的模拟部分——被赋予了非常简单的初级人工智能形式，一个仅含20至50个参数的微型神经网络：“在此语境下，‘神经网络’一词可能有些误导性；单细胞生物当然没有神经元。但此类简单控制系统可以在细胞内实现，例如通过非常简单的物理化学回路，使微生物的特定区域执行特定运动。”

如今，这个简单的分散控制系统已被应用于计算机，以寻求能产生最佳游动行为的最高效“控制代码”。使用该控制系统的每个版本时，虚拟微生物都可在模拟的粘性流体中游动。

“我们证明了这种极其简单的方法足以产生高度稳健的游动行为，”贝内迪克特·哈特尔指出。“尽管我们的系统没有中央控制，且虚拟微生物的每个区段仅遵循非常简单的规则运作，但整体结果却产生了足以实现高效运动的复杂行为。”

生物学与技术

该成果不仅因其解释了极其简单的生物系统的复杂行为而引人关注，对人工制造的纳米机器人也可能具有启发意义：“这意味着通过非常简单的编程，也能创造出可执行复杂任务的人工结构，”安德烈亚斯·策特尔（维也纳大学）表示。“例如，可以设想建造能主动搜寻水中石油污染并协助清除的纳米机器人。甚至是能在体内自主移动到特定位置以定向释放药物的医疗纳米机器人。”